Få lag tellurium som en lovende efterfølger af sort fosfor

To-dimensionelle (2-D) lagdelte materialer har modtaget betydelig opmærksomhed for deres potentielle anvendelser siden den eksperimentelle opdagelse af grafen. Teoretiske todimensionale elementære halvledere lover overlegne funktioner med hensyn til fremstilling, rensning og doping. Få lag sort fosfor (BP) er den første 2-D mono-elementære halvleder med høj elektronisk mobilitet, stærk optisk absorption, lineær dikroisme, og høj afstemning med eksterne felter. Imidlertid, den fejlbehæftede luftstabilitet og vanskeligheder ved storstilet fremstilling er resterende problemer, der hæmmer praktiske anvendelser af få-lags BP. Dermed, forskere søger mulige alternativer, der også tillader billige, storskala syntese, og tilbyder god miljøstabilitet uden at ofre fordelene ved BP.

Professor Wei Ji og hans forskningsgruppe ved Renmin University i Kina teoretisk modellerede overflader og grænseflader for nye elektroniske materialer for at forudsige fysiske egenskaber ved enheder, der består af disse materialer. For nylig, de samarbejdede med prof. Yang Chai fra Hong Kong Polytechnic University for at rapportere en teoretisk undersøgelse af en roman, kædelignende 2-D-materiale, nemlig få lag α-tellur (FL-α-Te), og forudsagde, at dette materiale ville have ekstremt høj bærermobilitet med en lagindstillelig båndgap, stærk lysabsorbering, blanding af vibrationstilstande, lagafhængige energikort over valens- og ledningsbånd, blandt andre markante ejendomme.

FL-α-Te er et repræsentativt materiale af lagdelt endimensionelle materialer, som er en ny og hurtigt udviklende kategori af 2-D-materialer. De undersøgte først stabiliteten i tre sandsynligvis få-lags faser ved hjælp af state-of-the-art tæthed funktionelle teori beregninger. Deres beregning viser, at α-tellurium er den mest stabile fase for dobbeltlag og tykkere lag. I betragtning af denne stabilitet, de fandt ud af, at en kovalentlignende kvasi-binding (CLQB) dominerer interkædet interaktion i både intra- og inter-lag retninger. Denne CLQB er analog med de fundne mellemlagsinteraktioner i BP, PtS2 eller PtSe2, viser hybridisering af bølgefunktioner men uden ekstra energitilvækst.

De formåede at korrelere denne binding med de lagafhængige geometriske og elektroniske strukturer og deres resulterende adfærd med hensyn til elektrisk, optiske og vibrationsmæssige egenskaber. Få lag α-Te har ekstremt høj hulmobilitet op til 105 cm2/Vs undtagelsesvis langs den ikke-kovalentbundne (CLQB) retning og 103 cm2/Vs for den kovalentbundne retning, indstillelig båndafstand fra 0,31 eV (bulk) til 1,17 eV (2L), anisotropisk interkæde (-lag) vibrationsadfærd, en krydsning af mellemlags forskydnings- og vejrtrækningskonstanter, stor ideel styrke (over 20 procent) og næsten isotrop stærk lysabsorbering (op til 9 procent pr. lag) fra en stærkt anisotrop geometri. De fandt også inden for få lag α-Te, at energioverfladerne for både valens- og ledningsbånd væsentligt udvikler sig fra bulk til dobbeltlag, udviser en "M-lignende" linjeprofil af hullommen, som normalt findes i topologiske isolatorer, og er ideel til termoelektrisk.

Dette materiale tilbyder de fleste af BPs slående egenskaber sammen med bedre miljøstabilitet, en meget lavere fabrikationsomkostning (med vådkemiske metoder) og højere lysabsorption end BP. I dette scenario, FL-α-Te kunne betragtes som en overlegen efterfølger af BP. Den ekstraordinære høje transportørmobilitet afsløret i CLQB-retning opdaterer konceptuelt forståelsen af ​​rollen som ikke-kovalente interaktioner i transportørmobilitet og kan åbne en ny vej til at søge materialer med høj mobilitet.